Polypeptid

Polypeptid
n., flertal: polypeptider

Definition: En polymer af aminosyrer, der er forbundet med hinanden ved hjælp af peptidbindinger. Image credit: CNX OpenStax

Polypeptid Definition Biologi

Hvad er polypeptider? Et polypeptid er defineret som en polymer af aminosyrer, der er forbundet med hinanden ved hjælp af peptidbindinger (figur 1).

Større polypeptider eller flere polypeptider, der forekommer sammen, betegnes som proteiner. Proteiner er polymerer af aminosyrer, som ofte binder sig til små molekyler (f.eks. ligander, coenzymer), til andre proteiner eller andre makromolekyler (DNA, RNA osv.) Derfor kaldes proteinernes byggesten for aminosyrer. Proteiner spiller en afgørende rolle i biologien, idet de fungerer som byggesten i muskler, knogler, hår og negle og danner enzymer, antistoffer, muskler, bindevæv og meget andet. Peptider er kortere kæder af aminosyrer (to eller flere), hvilket adskiller dem fra polypeptider, der er meget længere.

Polypeptidstruktur

En polymer, der produceres af en levende organisme, kaldes en biopolymer. Der findes fire hovedklasser af biopolymerer: (1) polysaccharider, (2) polypeptider, (3) polynukleotider og (4) fedtsyrer. Hvilke polymerer er sammensat af aminosyrer? Et polypeptid er en uforgrenet kæde af aminosyrer, der er forbundet med hinanden ved hjælp af peptidbindinger. Peptidbindingen forbinder carboxylgruppen i en aminosyre med aminogruppen i den næste aminosyre for at danne et amid. Hvad er peptider? Korte polypeptider kan navngives på grundlag af antallet af monomere aminosyrer, som de består af. Et dipeptid er f.eks. et peptid, der består af to aminosyreunderenheder, et tripeptid er et peptid, der består af tre aminosyreunderenheder, og et tetrapeptid er et peptid, der består af fire aminosyreunderenheder.

Aminosyre Definition Biologi

De aminosyrer, som udgør polypeptider, indeholder en alkaliske aminogruppe (-NH2), en sur carboxylgruppe (-COOH) og en R-gruppe (sidekæde). R-gruppen er variabel i sine bestanddele og er unik for hver aminosyre. Hvert aminosyremolekyle indeholder et kulstofatom (α-kulstof). I de fleste tilfælde er amino- og carboxylgrupperne knyttet til α-kulstoffet (figur 2).

Definition af peptidbinding

En peptidbinding (aminosyrebinding) er en binding mellem aminosyrer. Denne danner den primære struktur i en lang polypeptidkæde. Proteiner består af et eller flere polypeptider, der har vekselvirket med hinanden for at danne den endelige, stabile, fungerende konformation.

Aminosyrer kan enten være α-aminosyrer er β-aminosyrer. Når både carboxyl- og aminogruppen er knyttet til det centrale kulstof, kaldes de for α-aminosyrer. I β-aminosyrer er carboxyl- og aminogruppen knyttet til et andet kulstofmolekyle. Figur 3 viser et eksempel på en α-aminosyre og en β-aminosyre.

Der er 21 aminosyrer, der bruges af eukaryoter til at generere proteiner (proteinsyntese). Alle varierer ved forskelle i deres sidekæder. Mennesker og andre hvirveldyr kan lave 12 af disse, som betegnes som ikke-essentielle aminosyrer. De resterende 9 aminosyrer skal indtages, da de ikke kan fremstilles i kroppen, men fremstilles af andre organismer. Disse kaldes essentielle aminosyrer.

Da listen over aminosyrer indtil for nylig bestod af 20 aminosyrer. Selenocystein blev imidlertid tilføjet som den 21. aminosyre i 1986. Selenocystein findes i nogle sjældne proteiner i bakterier og mennesker. Endnu for nylig blev det foreslået, at pyrrolysin skulle benævnes som den 22. aminosyre. Pyrrolysin anvendes dog ikke i menneskelig proteinsyntese. Tabel 1 viser listerne over essentielle og ikkeessentielle aminosyrer. Figur 4 illustrerer strukturen af 21 aminosyrer.

Polypeptiddannelse

Variationen af R-gruppens sidekæder ændrer aminosyremolekylets kemi. De fleste aminosyrer har sidekæder, der er upolære (har ikke positive og negative poler). Andre har positivt eller negativt ladede sidekæder. Nogle har polære sidekæder, som ikke er ladede. Sidekædens kemi påvirker, hvordan aminosyrerne binder sig sammen, når de danner den endelige proteinstruktur.

Hvis aminosyrerne har ladede sidekæder, kan de danne ioniske bindinger. Hvis sidekæderne er hydrofobiske, kan de forbindes med van der Waals-interaktioner. Polære aminosyrer kan forbindes med hydrogenbindinger. Derfor bestemmer sidekædens interaktioner i en lang kæde af aminosyrer og deres rækkefølge i kæden, hvordan proteinmolekylet dannes, dvs. hvor det foldes sammen. Flere oplysninger om de forskellige bindinger og interaktioner mellem aminosyrerne vil blive behandlet senere i dette afsnit.

Proteiner har 4 strukturniveauer: den primære struktur, den sekundære struktur, den tertiære struktur og den kvaternære struktur.

1. Primærstruktur

Hvad er en polypeptidsekvens? Enkelt sagt er polypeptider kæder af aminosyrer. Den primære struktur af et protein begynder med dannelsen af peptidbindinger mellem aminosyrer, hvilket resulterer i dannelsen af et peptid.

Hvad er en peptidbinding? Peptidbindinger findes mellem α-carboxylgruppen i en aminosyre og α-aminogruppen i en anden aminosyre. Dette danner en stabil todimensionel struktur med sidekæder, der strækker sig ud fra polypeptidkæden. Dette gør det muligt for sidekæderne at interagere med andre molekyler. Denne handling med at sammenføje mindre enheder for at skabe en længere polymer er kendt som polymerisering. Hvordan dannes peptidbindinger? Reaktionen, hvor to aminosyrer forbindes, er en kondensationsreaktion. Det skyldes, at et hydrogen- og oxygenmolekyle går tabt fra carboxylgruppen i en aminosyre, og et hydrogenmolekyle går tabt fra aminogruppen i en anden aminosyre. Herved dannes et vandmolekyle (H2O), deraf betegnelsen kondensationsreaktion.

2. Sekundærstruktur

Sekundærstrukturen dannes, når der opstår hydrogenbindinger mellem atomer i polypeptidets rygsøjle (dette omfatter ikke sidekæderne). To almindelige mønstre, der opstår ved gentagen foldning via hydrogenbindinger, er α-helixen og β-foldet ark.

I α-helixens sekundærstruktur er spolen højrehåndet, og hydrogenbindingerne findes mellem hver fjerde aminosyre. α-keratin er et eksempel på et protein, der er sammensat af α-helixer. Dette protein findes i hår og negle.

Den β-foldeformede ark er den anden almindelige sekundærstruktur. Den opstår, når to polypeptidkæder ligger ved siden af hinanden, og der dannes hydrogenbindinger mellem dem. Der findes to typer af β-pleated ark; disse er det parallelle β-pleated ark og det antiparallelle β-pleated ark. I enden af et polypeptid er der enten en fri carboxylgruppe eller en fri aminogruppe.

I et parallelt β-plisseret ark løber de to polypeptidkæder i samme retning med den samme gruppe i hver ende. I et antiparallelt β-foldet ark løber polypeptidkæderne i forskellige retninger. Figur 6 illustrerer et antiparallelt β-plisseret ark og en α-helix.

En mindre kendt sekundær struktur er β-helixen. I dette tilfælde løber polypeptiderne antiparallelt til hinanden, men har også viklet sig ind i en tøndeform med hydrogenbindinger mellem den første og sidste aminosyre (figur 7).

Og selv om hydrogenbindingerne i aminosyrerne er svage, giver kombinationen af alle hydrogenbindingerne sammen strukturen stabilitet, der gør det muligt for den at holde sin form.

3. Tertiær struktur

Polypeptidets tertiære struktur er defineret som den 3-dimensionelle struktur. Proteinet begynder yderligere foldning som følge af sidekædeinteraktioner (R-gruppe) i den primære sekvens. Dette sker via hydrofobiske bindinger, hydrogenbindinger, ionbindinger, disulfidbindinger og Van der Waals-interaktioner.

• Hydrofobiske bindinger – sidekæder, der er upolære, og de hydrofobiske grupper sammen. De forbliver på indersiden af proteinet og efterlader hydrofile sidekæder på ydersiden, der er i kontakt med vand.
• Hydrogenbindinger – opstår mellem et elektrisk negativt atom og et hydrogenatom, der allerede er bundet til et elektrisk negativt atom. De er svagere end kovalente bindinger og ioniske bindinger, men stærkere end Van der Waals-interaktioner.
• Ioniske bindinger – en positivt ladet ion danner en binding med en negativt ladet ion. Disse bindinger er stærkere på indersiden af et protein, hvor vand er udelukket, da vand kan dissociere disse bindinger.
• Van der Waals-vekselvirkninger – dette henviser til elektriske vekselvirkninger mellem nærtstående atomer eller molekyler. Disse vekselvirkninger er svage, men hvis der er flere af disse vekselvirkninger i et protein, kan det øge dets styrke.
• Disulfidbinding – dette er en type kovalent binding og er også den stærkeste binding, der findes i proteiner. Den indebærer oxidation af 2 cysteinrester, hvilket resulterer i en svovl-svovl kovalent binding. Næsten en tredjedel af de eukaryote syntetiserede proteiner indeholder disulfidbindinger. Disse bindinger giver proteinet stabilitet. Figur 8 viser de forskellige bindinger, der indgår i et proteins tertiære struktur.

4. Kvaternær struktur

I den kvaternære struktur begynder kæder af polypeptider at interagere med hinanden. Disse proteinunderenheder binder sig sammen via hydrogenbindinger og van der Waals-interaktioner. Deres arrangement muliggør den specifikke funktionalitet af det endelige protein. Ændringer i konformationen kan være skadelige for deres biologiske virkninger. Hæmoglobin er et eksempel på et protein med en kvaternær struktur. Det består af 4 underenheder.

Det er værd at bemærke, at ikke alle proteiner har en kvaternær struktur, mange proteiner har kun en tertiær struktur som deres endelige konformation.

Er polypeptider proteiner? I nogle tilfælde anvendes ordet polypeptid i flæng med ordet protein. Et protein kan dog bestå af mere end 1 kæde af polypeptid, så det er ikke altid korrekt at bruge betegnelsen polypeptid for alle proteiner.

Polypeptidfunktioner med eksempler

Polypeptider og deres resulterende proteiner findes overalt i kroppen. Hvad er funktionen af et polypeptid? Polypeptidernes funktioner er afhængige af aminosyreindholdet. Der findes over 20 aminosyrer, og den gennemsnitlige længde af et polypeptid er ca. 300 aminosyrer. Disse aminosyrer kan anbringes i en vilkårlig rækkefølge. Dette giver mulighed for et enormt antal mulige variationer af proteiner. Det er dog ikke alle disse proteiner, der vil have en stabil 3D-konformation. De proteiner, der findes i cellerne, er ikke kun stabile i deres konformation, men også unikke i forhold til hinanden.

Hvad er eksempler på polypeptider? De vigtigste eksempler på proteiner er transportører, enzymer, hormoner og strukturstøtte.

Transportører

Der findes proteintransportører og peptidtransportører. Peptidtransportører findes i peptidtransportørfamilien (PTR). Deres funktion er at fungere som membranproteiner i en celle for at optage små peptider (di- eller tri-peptider). Der findes to hovedtyper af peptidtransportører, PEPT1 og PEPT2. PEPT1 findes i tarmceller og hjælper med optagelsen af di- og tripeptider. PEPT2 findes på den anden side hovedsageligt i nyrecellerne og hjælper med reabsorptionen af di- og tripeptider.

Enzymer

Polypeptider udgør også enzymer. Enzymer igangsætter (katalyserer) eller fremskynder biokemiske reaktioner. De er biomolekyler, der hjælper med både syntesen og nedbrydningen af molekyler. Alle levende organismer bruger enzymer, og de er afgørende for vores overlevelse. Man mener, at enzymer katalyserer omkring 4000 forskellige biokemiske reaktioner i livet. Alle enzymer benævnes med endelsen -ase. Der findes 6 funktionelle grupper af enzymer: oxidoreduktaser, transferaser, hydrolaser, lyaser, isomeraser og ligaser. Laktase er f.eks. en hydrolase, der forårsager hydrolyse (nedbrydningsreaktion med vand) af laktose (mælkesukker) til galaktose- og glukose-monomerer (figur 10). Laktase findes hos mennesker og dyr og har den funktion at hjælpe med fordøjelsen af mælk. Det findes også i nogle mikroorganismer.

Hormoner

Hormoner kan enten være steroidbaserede eller peptidbaserede. Polypeptid- og proteinhormoner varierer i deres størrelse, idet nogle kun består af få aminosyrer, mens andre er store proteiner. De fremstilles i cellerne i det ru endoplasmatiske reticulum (RER) og bevæger sig derefter til Golgi-apparatet. De anbringes derefter i vesikler, indtil de er nødvendige/stimuleret til sekretion uden for cellen.

Insulin er et eksempel på et proteinhormon. Det er 51 aminosyrerester i længden og består af 2 polypeptidkæder kendt som kæde A og kæde B. Betacellerne i bugspytkirtlen syntetiserer dette hormon. Insulin hjælper kroppen med at regulere blodsukkeret ved at fjerne overskydende glukose fra blodet og gøre det muligt at lagre det til senere brug (figur 11).

Strukturel støtte

Endeligt giver strukturelle proteiner form og støtte til levende organismer. De kan f.eks. yde støtte i en cellevæg. De findes også i bindevæv, muskler, knogler og brusk. Actin er et eksempel på et strukturelt protein, der findes i celler. Det er det hyppigst forekommende protein, der findes i eukaryote celler. I muskelceller er de med til at støtte muskelsammentrækningen. De danner også cellernes cytoskelet og hjælper dem med at holde deres form. Derudover er actin involveret i celledeling, cellesignalering og organelle bevægelse.

• Bock, A. et al. (1991). Selenocystein: Den 21. aminosyre. Molekylærbiologi. 5 (3) 515-520. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.1991.tb00722.x
• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Proteinernes form og struktur. Molecular Biology of the Cell. 4. udgave. New York: Garland Science. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26830/#:~:text=Since%20each%20of%20the%2020,chains%20n%20amino%20acids%20long.
• Candotti, F. Peptid. National Human Genome Research Institute. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Peptide
• Clark, D. P., Pazdernik, N.J., McGehee. M.R. (2019). Proteinsyntese. Molekylærbiologi, Academic Cell, tredje udgave. 397-444. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813288-3.00013-6
• Essentials of Cell Biology. (2014). Proteinernes funktioner bestemmes af deres tredimensionelle strukturer. https://www.nature.com/scitable/ebooks/essentials-of-cell-biology-14749010/122996920/
• Lopez, M.J., Mohiuddin, S.S. (2020). Biokemi, Essentielle aminosyrer. StatPearls. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK557845/
• Maloy, S. (2013). Amino Acids. Brenner’s Encyclopedia of Genetics (anden udgave), Academic Press. 108-110. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374984-0.00051-6
• Nelson, D. (2018). Hvor mange aminosyrer er der i kroppen – essentielle og ikke-essentielle. Science Trends. How Many Amino Acids Are in The Body: Essential and Non-Essential | Science Trends.
• Ouellette, R.J., Rawn, J.D. (2015). Aminosyrer, peptider og proteiner. Principper for organisk kemi. 14 (371-396). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802444-7.00014-8
• Patel, A.K., Singhania, R.R., R.R., Pandey, A. (2017). Produktion, oprensning og anvendelse af mikrobielle enzymer. Biotechnology of Microbial Enzymes (Bioteknologi af mikrobielle enzymer). Academic Press (2) 13-41. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803725-6.00002-9
• Pelley, J.W. (2007). Proteinstruktur og funktion. Elsevier’s Integrated Biochemistry. Mosby. 19-28. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-03410-4.50009-2
• Rajpal, G., Arvan, P. (2013). Disulfidbindingsdannelse. Handbook of Biologically Active Peptides (Second Edition). 236 (1721-1729). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385095-9.00236-0
• Rehman, I., Farooq, M., Botelho, S. (2020). Biokemi, sekundær proteinstruktur. StatPearls. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK470235/
• Taylor, P.M. (2016). Aminosyretransporters rolle i proteinmetabolisme. The Molecular Nutrition of Amino Acids and Proteins, Academic Press. 5 (49-64). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802167-5.00005-0